Este estudio evalúa un sistema de ventilación push-pull con extracción localizada diseñado para reducir las concentraciones de H2S en la etapa de sedimentación de una planta de tratamiento de aguas residuales en Santiago, Chile.
Simulaciones CFD y mediciones de campo muestran que el sistema de ventilación cruzada actual genera concentraciones de H2S de hasta 21 mg/m³ sobre la superficie del agua. El sistema mejorado push-pull reduce eficazmente los niveles de H2S en los corredores de la planta a menos de 7,5 ppm, cumpliendo con la normativa chilena.
I. Polanco1, M. Rodríquez1, A. Hammad2, A. Haddad3, V. Tam4 & D. Vasco1
Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.
Editor académico: Carlos N Díaz.
Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí.
Citación: I. Polanco, M. Rodríquez, A. Hammad, A. Haddad, V. Tam & D. Vasco, 2025, Diseño de Sistema de Ventilación para la Mitigacion de Olores - Etapa de Desarenado de una Planta de Tratamiento de Aguas Servidas Mediante Simulación Computacional, Congreso OLORES25, Santiago, Chile, www.olores.org.
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Palabras clave: Tratamiento de aguas residuales más limpio; sulfuro de hidrógeno; planta de sedimentación; CFD; sistema de ventilación
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Resumen
El estudio examina el desarrollo de un sistema de ventilación push-pull con extracción localizada para su uso en el tratamiento de aguas residuales. El enfoque propuesto tiene como objetivo minimizar la concentración de H2S en la etapa de decantación de una planta de tratamiento de aguas residuales ubicada en Santiago de Chile. Se implementaron simulaciones computacionales de dinámica de fluidos y se contrastaron con mediciones reales de emisiones de H2S para evaluar y mejorar el sistema de ventilación cruzada forzada existente. Las mediciones en diferentes posiciones de la etapa de sedimentación del proceso de tratamiento de aguas residuales mostraron concentraciones de H2S de hasta 21 mg/m3 en el centro sobre la superficie del agua cuando se utiliza el sistema de ventilación cruzada existente. En general, las concentraciones de H2S medidas concuerdan con las predichas por simulaciones computacionales, con discrepancias entre 8.1% y 28.4%. El estudio, además, considera una evaluación del sistema de ventilación mejorado con sistemas de extracción localizada (push-pull) para determinar el nivel de efectividad de disminuir la concentración de H2S en la planta decantadora. Según los resultados obtenidos, la concentración de H2S en los corredores de la planta no supera los 7.5 ppm, lo que cumple con la normativa chilena requerida.
1. Introducción
Las plantas de tratamiento de aguas residuales reciben efluentes provenientes de los centros urbanos, siendo el pretratamiento su primera etapa. En él, se remueven objetos voluminosos como arenas y grasas, incluyendo etapas de desbaste, tamizado, decantación y desengrasado (CENTA 2008). Este proceso genera altas concentraciones de contaminantes liberados a la atmósfera, siendo uno de los más peligrosos el sulfuro de hidrógeno (H2S) cuyo límite máximo permisible de exposición en un ambiente laboral está regulado por el Decreto Supremo N°594 de Chile. Este contaminante, además de ser un gas nocivo, enfrenta graves problemas a la salud y molestia de olores por parte de la comunidad. Las soluciones se enfocan en procesos de ventilación donde se aplican tecnologías de filtración y tratamiento del aire para reducir la concentración de contaminantes antes de su liberación a la atmósfera (Eijo-Río et al.2015). Un buen diseño en el sistema de ventilación puede evitar generar emisiones de gases residuales a la atmósfera, al igual que problemas de emisión de olor, como es el caso del H2S, un gas perceptible a concentraciones tan bajas como 0,7–14 ppb (Ruth 1986). Es por esto por lo que la tasa de ventilación y el nivel de contaminación, son factores que hay que considerar en los recintos tipo EDAR (Matos et al. 2019).
Estudios previos (Jiao et al. 2019) han implementaron herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar el desempeño de diferentes diseños de ventilación de dilución usando CO como contaminante al igual que en una etapa de deshidratación de lodos de una planta de aguas residuales ubicada en Bucarest, Rumania (Croitoru et al. 2017).
El presente estudio se centra en realizar una evaluación que examine la eficacia de los sistemas de ventilación existentes en términos de la concentración de H2S para las áreas de trabajo del edificio de decantación de una planta de tratamiento de aguas residuales ubicada en Santiago de Chile, además, de diseñar un sistema de ventilación eficaz para las plantas de tratamiento de aguas residuales garantizando que la liberación de los gases se encuentre por debajo de los umbrales permisibles.
El aporte del presente trabajo es el desarrollo de un enfoque completo para el control de la emisión de contaminantes en una planta de tratamiento de aguas residuales chilena mediante CFD y análisis de laboratorio. A través de esta metodología propuesta se determina que se debe considerar un sistema de ventilación que combine estrategias push-pull y extracción local.
2. Metodología
La metodología del trabajo consta de tres partes: 1) evaluación y recopilación de información necesaria del edificio de decantación de la planta de aguas residuales y sus procesos; 2) Mediciones experimentales de caudales y concentraciones de H2S; y 3) simulaciones CFD del sistema de ventilación existente comparando la concentración prevista de H2S en las áreas de trabajo con las medidas experimentalmente. Finalmente, se implementa la simulación del sistema de ventilación push-pull mejorado para disminuir la concentración de H2S en las áreas de trabajo para cumplir con la regulación chilena (DS 594).
2.1. Descripción general de la planta
La planta de tratamiento de aguas residuales estudiada cuenta con un caudal de operación es de 6.6 m3/s, tiene una superficie de 3500 m2; cuenta con 16 piscinas de tratamiento en el edificio donde se realizan tanto los procesos de decantación como de desengrase. El sistema de captación y tratamiento de gases corresponde a un sistema central constituido por tuberías, ventiladores de extracción y depuradores de gases. El sistema de ventilación instalado en la planta se basa en un sistema Push-Pull (Huebener y Hughes 1985), actualmente este no cumple con el objetivo de mantener la concentración de H2S por debajo de lo establecido por la normativa chilena, alcanzando valores de hasta 30 ppm, siendo la media máxima permisible de 8 ppm y 15 ppm máxima de exposición temporal, de acuerdo con el DS 594.
2.2. Procedimiento experimental
Para la toma de muestras de aire se capturaron por medio de una bomba de aire por vacío desde la fuente, adicionalmente se utilizaron tubos colorimétricos para obtener una medición instantánea de las concentraciones de H2S en la planta de decantación.
Los caudales másicos de emisión de H2S de las balsas de tratamiento se obtuvieron relacionando el caudal volumétrico de gases de la campana y la concentración de gases medida por sensores electroquímicos, el procedimiento de muestreo utilizado fue el establecido por la norma UNE-EN-13725, siendo la norma chilena homologada NCh 3190:2010. Se utilizó un anemómetro de hilo caliente para medir la velocidad del aire (Extech, ±0,01) en algunos puertos de extracción de aire, donde se obtuvo una velocidad promedio.
2.3. Análisis numérico
Para predecir el comportamiento del flujo de aire en el interior de la decantadora se utilizó el software comercial ANSYS/CFX basado en el método de volúmenes finitos (FVM) (Ansys/CFX). El modelo tridimensional se generó utilizando el software SOLIDWORKSVR (Solidworks 2020). El CFD, al ser una técnica de simulación para describir, evaluar y predecir el movimiento de fluidos, cubre los procesos asociados con el fluido portador asi como transporte de calor y masa, reaccione químicas y procesos biológicos, procesos de gran importancia para el tratamiento de aguas, aguas residuales y aguas pluviales (Liu Xiaofeng 2019).
3. Resultados y discusión
3.1. Evaluación de la situación actual
La Figura 1a muestra las trayectorias del flujo de aire en todo el modelo físico de la planta de sedimentación con su respectiva escala de velocidad. Se observa que las velocidades más altas ocurren en las entradas de aire a través de las aberturas donde se encontraban los ventiladores axiales. El plano muestra como se genera el flujo cruzado donde se interceptan las aberturas de aire y las rejillas de extracción. Una parte importante del análisis de la situación actual es el comportamiento del aire en el área de tránsito, que es la principal área de trabajo del personal de la planta, se obtuvieron velocidades máximas de 0,3 m/s aproximadamente desde la entrada de aire hasta la zona de tránsito. Las velocidades más bajas están cerca de 0,075 m/s, la cual no es recomendada para sistemas de ventilación mecánica.
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| Fig. 1. Trayectorias de flujo de aire previstas en la planta de sedimentación;(b) vectores de velocidad en un plano y-z donde una entrada de aire y una extracción de aire coinciden; y (c) vectores de velocidad en un plano que coincide con el área de transito |
En la Figura 2a se muestran que las concentraciones más altas de H2S se predicen cerca del sistema de extracción. En general, en zonas donde los puentes están alejados de las tomas de aire, se observa que la concentración de H2S se distribuye de forma homogénea. En la Figura 2b muestra las concentraciones de H2S predichas a 1,5 m de donde se realizaron las mediciones con tubos colorimétricos. Las concentraciones más altas se encuentran cercano a la pared izquierda y los puertos de extracción de aire obteniendo concentraciones superiores a 20 ppm. En general ésta se encuentra en el rango de 8 a 15 ppm, sin embargo, existe una región debajo y entre el 5to y 8vo puerto de extracción donde estas son más altas (30 ppm).
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| Fig. 2. Contornos de la concentración de H2S (ppm) en los planos Y a: a) 1 m; b) 1,5 m (los marcos amarillos corresponden a los sectores donde se midieron las concentraciones experimentales); c) 2 m; y d) un plano X en la zona de tránsito de la planta. |
La solución de ventilación propuesta considera los siguientes aspectos: (i) Aumentar el caudal total de extracción de aire actual de 48.543 m3/h a 70.160 m3/h, lo que dado el volumen de la planta de decantación aumentara de 2,4 a 4 renovaciones por hora; (ii) redistribución de los conductos de extracción de aire con rejillas de extracción instaladas lo más cerca posible de las fuentes de emisión; (iii) implementación de equipos de inyección de aire; y (iv) instalación de equipos de inyección de aire en áreas de tránsito para aumentar la dilución del contaminante.
3.2. Evaluación del sistema propuesto
De acuerdo con la evaluación del sistema de ventilación actual, se debe implementar un nuevo sistema de ventilación para controlar las emisiones de H2S y cumplir con los rangos establecidos por la normativa vigente. Se recomiendan sistemas de ventilación de escape locales para evacuar los humos y gases en su origen, manteniendo los contaminantes respirables alejados de la zona de trabajo y las exposiciones por debajo de los límites permitidos (A.W.S 2018). Sin embargo, no es posible implementar este sistema en la planta de decantación debido a factores económicos y mecánicos. Dada a la gran superficie de las piscinas de tratamiento, se requiere un caudal de extracción de aire considerable y el funcionamiento de los puentes de lijado no permitiría acercar las campanas de extracción de humos a la fuente.
El sistema de ventilación propuesto considera la instalación de diez ventiladores de inyección axial distribuidos en las zonas de tránsito junto con ductos de extracción local, y en las puertas de acceso donde fluye el aire, rejillas de escape con rejillas gravitacionales orientadas hacia las zonas de tránsito, barriendo el contaminante y mejorando su dilución. La Figura 3 muestra la disposición propuesta de los conductos de extracción de aire y una vista detallada de los conductos.
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| Fig. 3. a) Propuesta de trazado de los conductos de extracción de aire; b) vista detallada de los conductos; y (c) posición de los conductos de extracción con respecto a la superficie de las piscinas de tratamiento |
La Figura 4a muestra las trayectorias del flujo de aire y un detalle del área donde se encuentran los ventiladores de inyección (Figura 4b). Las líneas de paso muestran que las velocidades están en el rango de 2 m/s a 4 m/s en los puntos de inyección. Se pueden observar en la Figura 4c que a través del sistema de inyección propuesto se alcanzan mayores velocidades de aire en las zonas de tránsito. El propósito de las lamas gravitacionales es precisamente dirigir el aire sobre la superficie que corresponde al área de tránsito de personal.
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| Fig. 4. a) Trayectorias previstas del flujo de aire en la planta de decantación con el sistema de ventilación propuesto; b) detalle de las vías de circulación del aire cerca de las boquillas de aire; y (c) vectores de velocidad en un plano que coincide con el |
Se pudo observar, a dos metros de altura, una disminución considerable de las velocidades del aire en las zonas de tránsito, mientras que en las zonas de las piscinas de tratamiento se observan mayores velocidades como consecuencia de la acción de los sistemas de extracción ubicados en sus superficies. Adicionalmente, hubo una disminución considerable en la concentración de H2S en comparación con el sistema de ventilación real observando concentraciones que no superan las 8,4 ppm con la excepción de algunas áreas específicas. En general, el sistema propuesto da lugar a concentraciones uniformes e inferiores a 7 ppm.
3.3. Discusión
Se observa una disminución considerable (30-45%) en la concentración de H2S para la planta de sedimentación debido al nuevo sistema de ventilación propuesto. Debido al efecto de los ventiladores axiales, las concentraciones de H2S en las zonas de tránsito son aún más bajas que en el resto del edificio; en algunos sectores donde no hay aire. Se observa que el sistema de ventilación propuesto cumple con el objetivo de mantener las concentraciones de H2S por debajo de 7 ppm en prácticamente todas las áreas de interés, además de reducir considerablemente las concentraciones de H2S en la superficie de las piscinas de tratamiento. Sin embargo, las concentraciones en ciertas áreas están ligeramente por debajo de los rangos máximos permisibles, por lo que se propone una mejora adicional al sistema.
La mejora del sistema de ventilación propuesto consiste en la implementación de extractores de aire de tipo axial. Los ventiladores se colocan en el extremo opuesto a los equipos de inyección de aire y en los pasillos del edificio para generar un barrido de los gases contaminantes, implementando en parte el sistema de ventilación del tipo Push Pull. Debido a los ventiladores de extracción propuestos en el sistema mejorado, los flujos de aire más altos tienden a cubrir toda la longitud de las áreas de tránsito. Otros análisis CFD revelan que la eficiencia del sistema Push Pull depende de las condiciones de funcionamiento y se ve afectada por la existencia de obstáculos en el área de trabajo.
Para el sistema de ventilación mejorado, las concentraciones de H2S a lo largo de tres posiciones de referencia a lo largo de los corredores de la planta de decantación se muestran en la Figura 5. Los perfiles de concentración de H2S muestran que las concentraciones máximas están por debajo de 8,8 ppm, que es el valor máximo según la normativa chilena (DS 594). Además, a través de este sistema de ventilación mejorado, se espera que las concentraciones de H2S se reduzcan en un 75,10%, 50,64% y 48,37% con respecto a los valores medidos.
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| Fig. 5. (a)Referencial positions at which the H2S concentration; (b)Position 1; (c)Position 2; and (d)Position 3 for the improved ventilation system |
4. Conclusiones
A partir de los resultados obtenidos de la simulación del sistema de ventilación existente, las concentraciones de H2S predichas presentan errores relativos tan bajos como 2,4% en términos de las mediciones experimentales realizadas en diferentes posiciones a lo largo de un corredor del área de tránsito. Tanto los sistemas de ventilación inicial como los mejorados cumplen con el objetivo de mantener las concentraciones de H2S en las zonas de tránsito de personal por debajo de los límites establecidos en la normativa chilena DS N° 594. Esto se logró mitigando el H2S emitido por las piscinas de tratamiento y generando un barrido de flujo a lo largo de los corredores mediante la inyección de aire desde las rejillas gravitacionales. El funcionamiento de los extractores en el sistema mejorado solo debe considerarse cuando se supera la concentración máxima permitida de 7,5 ppm.
El presente estudio tiene una serie de limitaciones. En primer lugar, el sistema de ventilación push-pull no se ha implementado en el edificio de asentamiento, por lo que no se ha demostrado físicamente la disminución prevista de la concentración de H2S en las zonas de tránsito. Las simulaciones numéricas se realizaron considerando una condición de estado estacionario, por lo que no fue posible calcular el tiempo de residencia del contaminante dentro del edificio de sedimentación. Por último, a pesar de que el H2S es el principal contaminante de la planta de decantación, se debe estudiar la distribución de otros gases peligrosos. El objetivo de los autores es investigar estas cuestiones en un estudio futuro.
5. Referencias
A.W.S. 2018. 5.2 Local exhaust ventilation. Vent Guid Weld Fume (2nd Ed. AWS F3.22018).
CENTA. 2008. Manual de depuración de aguas residuales urbanas. Centa, Secr. Alianza por el agua. Ecol. y Desarro. 264: 1–10.
Chowdhary P, Raj A, Bharagava RN. 2018. Environmental pollution and health hazards from distillery wastewater and treatment approaches to combat the environmental threats: a review. Chemosphere. 194:229–246.
Cocheo V, Boaretto C, Sacco P. 1996. High uptake rate radial diffusive sampler suitable for both solvent and thermal desorption. Am Ind Hyg Assoc J. 57(10):897–904.
Croitoru C, Bode F, Nastase I, Sandu M, Vasilescu A, Tacutu L. 2017. General ventilation system optimization study for environment improve-ment of sludge dewatering area from a wastewater treatment plant. Energy Proc. 112:640–649.
D.S. 1999. 594 Reglamento sobre condiciones sanitarias y ambientales básicas en los lugares de trabajo; Santiago de Chile.
Eijo-Río E, Petit-Boix A, Villalba G, Suarez-Ojeda ME, Marin D, Amores MJ, Aldea X, Rieradevall J, Gabarrell X. 2015. Municipal sewer networks as sources of nitrous oxide, methane and hydrogen sulphide emissions: a review and case studies. J Environ Chem Eng. 3(3):2084–2094.
Ghorbani Shahna F, Bahrami A, Farasati F. 2012. Application of local exhaust ventilation system and integrated collectors for control of air pol-lutants in mining company. Ind Health. 50(5):450–457.
Huebener DJ, Hughes RT. 1985. Development of Push-Pull Ventilation. Am Ind Hyg Assoc J. 46(5):262–267.
Jiao Z, Yuan S, Ji C, Mannan MS, Wang Q. 2019. Optimization of dilution ventilation layout design in confined environments using Computational Fluid Dynamics (CFD). J Loss Prev Process Ind. 60:195–202.
Liu Xiaofeng ZJ. 2019. 4.1.1 Overview. Computational fluid dynamics: applications in water, wastewater, and stormwater treatment. American Society of Civil Engineers.
Matos RV, Ferreira F, Matos JS. 2019. Influence of intermittence and pres-sure differentials in hydrogen sulfide concentration in a gravity sewer. Water (Switzerland). 11(9):1780.
Ruth JH. 1986. Odor thresholds and irritation levels of several chemical sub-stances: a review. Am Ind Hyg Assoc J. 47: A-142–A-151.
Wang Y, Quan M, Zhou Y. 2019. Effect of velocity non-uniformity of supply air on the mixing characteristics of push-pull ventilation systems. Energy. 187:115962.